1 合肥工业大学电子科学与应用物理学院, 安徽 合肥 230009
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所安徽省光子器件与材料重点实验室, 安徽 合肥 230031
准分子激光加工技术基于光化学机制。准分子激光具有波长短、重复频率高、单脉冲能量大、 输出光斑大 且能量分布均匀等特点,在精准和高效微加工领域有着独特的优势。准分子激光微加工可以减小热影响区(Heat affected zone, HAZ),有效避免产生裂纹等缺陷,在材料精细加工领域有很好的应用前景。介绍了准分子激光微加工的研究进 展,及准分子激光微加工应用于微电子集成电路封装、微机电系统(Micro-electro-mechanical system, MEMS)材料加工和生物医疗等领域的研究结果,总结了准分子激光微加工技术的发展趋势。
激光技术 准分子激光微加工 集成芯片3D封装 微机电系统材料微加工 laser technique excimer laser micromachining integrated chip 3D package micro-electro-mechanical system material micromach
248 nm准分子激光直接刻蚀钠钙玻璃微通道来制作生物芯片具有较大优势和潜力, 但目前存在易发生碎裂、微通道底面处粗糙度高等问题。采用248 nm准分子激光束以静态刻蚀及扫描直写刻蚀两种方式刻蚀钠钙玻璃来对低裂损工艺进行研究。首先通过实验研究了激光加工玻璃的工艺参数与玻璃微通道的刻蚀质量之间的关系, 然后分析了248 nm准分子激光刻蚀钠钙玻璃的裂损刻蚀机理, 最后通过变换工艺参数来设计新的加工工艺流程以改善加工质量。实验结果表明, 随着刻蚀处激光能量密度的增加, 玻璃微通道的边缘裂损程度增大, 并且刻蚀表面粗糙度增大, 刻蚀质量下降; 另外发现激光刻蚀后的粗糙表面可以增加玻璃材料对入射激光能量的吸收率, 从而降低了激光刻蚀玻璃材料的阈值, 较低的激光能量密度可降低刻蚀面的粗糙度。最后工艺流程改进实验, 所加工的微通道质量得到改善, 玻璃微通道边缘裂损尺寸小于5 μm, 底面粗糙度Ra值可降低至1.5 μm, 研究结果将对激光加工玻璃微结构的质量改善提供一定的参考。
准分子激光微加工 玻璃表面刻蚀 玻璃微通道 生物芯片 excimer laser processing glass surface etching glass micro-groove processing bio-chip
利用248 nm纳秒准分子激光, 采用掩模投影和石英玻璃前表面直写刻蚀的方法, 研究了激光脉冲能量密度、重复频率、扫描次数对微通道裂损的影响规律, 分析了石英玻璃激光刻蚀及裂损的机理。结果表明, 248 nm纳秒准分子激光刻蚀石英玻璃的机理为光致电离及热烧蚀的共同作用; 无裂损刻蚀JGS1型石英玻璃的激光能量密度阈值范围为16~30 J·cm-2, 刻蚀率可达每脉冲500 nm; 随着激光重复频率及扫描次数的增加, 微通道容易因热积累及等离子体微爆炸冲击作用而裂损。基于优化的激光加工参数, 当微通道宽度小于100 μm时, 可以实现无裂损的直线型(深度小于或等于50 μm)及圆弧型(深度小于或等于28.5 μm)微通道的加工。
激光技术 石英玻璃刻蚀 准分子激光微加工 无裂损加工
1 北京工业大学激光工程研究院, 北京 100124
2 郑州轻工业学院物理与电子工程学院, 河南 郑州 450002
提出了一种基于激光三角法光线折射补偿对透明平板厚度测量的方法，设计了基于单激光位移传感器的透明平板厚度测量装置，并应用于准分子激光投影光刻加工透明材料时的像面校准。首先构建了激光三角法测量情形下偏折光线和透明平板位置之间的关系，分析了散射光斑因折射发生的位置偏移量与平板厚度之间的关系，以及透明平板与散射基面的间距和散射基面位置的变化对测量结果产生的影响。然后设计了基于单激光位移传感器的透明平板厚度测量装置，实验验证了散射光斑偏移量和平板厚度之间的对应关系，测得了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)厚度测量的补偿系数为0.441。综合理论分析和实验验证，结果表明散射光斑偏移量与透明平板的厚度呈线性变化关系，透明平板与散射基面间距的大小对测量结果无影响，散射基面偏移量与传感器探头示数变化量相等。PMMA 平板厚度测量的平均绝对误差小于0.01 mm，平均相对误差为0.6%，能够满足准分子激光(KrF，248 nm)加工PMMA 基生物芯片的精度要求。
测量 光线补偿测量 激光三角法 激光位移传感器 透明平板厚度测量 准分子激光微加工
1 电子科技大学 宽带光纤传输与通信网技术教育部重点实验室，成都 610054
2 重庆大学 光电技术与系统教育部重点实验室，重庆 400044
分析了157 nm激光制作的光纤法珀折射率传感器的传感特性.采用干涉条纹计数的方法对法珀腔的反射光谱进行解调，避免了光强波动的影响，同时具有较宽的折射率(RI)范围.在0~70℃范围内25 μm的法珀腔腔长变化量为6.25 nm，等效折射率变化为~2.46×10－4.常温下对折射率范围为1.33~1.427的甘油(丙三醇)溶液进行了测量，实验结果曲线的相关系数为0.9951，测量准确度为~3.70×10－4.
导波光学 折射率传感器 光纤法珀腔 准分子激光微加工 Wave-guided optics Refractive index sensor Optical fiber F-P cavity Excimer laser micromachining
东南大学生物电子学国家重点实验室，江苏省生物材料与器件重点实验室， 江苏 南京 210096
为了方便、快速、低成本地检测样品，提出一种内嵌光纤型微流控芯片的制备方法。利用248 nm的KrF准分子激光在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基片上进行微加工，构建芯片结构，并嵌入腐蚀过的直径35 μm的单模光纤，从而形成内嵌光纤型芯片。探讨了准分子激光加工参数以及嵌入光纤的方法。结果表明，用准分子激光加工芯片，可控性好、简便可靠、加工过程可实现无人化。内嵌光纤实现了光纤的相互对准以及光纤对流道中央的对准，可以灵敏地获取样品的光学信号。
激光技术 准分子激光微加工 微流控芯片 光纤 聚甲基丙烯酸甲酯
分析了微流控聚合梅链式反应(PCR)芯片循环的几何结构，对常规非闭环的穿透形式，确定了可行的温区排列结构;对于闭环式的空间分布形式，分析了几种结构的热效率。研究了准分子激光对聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)基片的刻蚀机制，获得了刻蚀曲线。对于PCR 芯片微流通道的加工，着重考虑了通道成形和表面粗糙度问题。其中，采用掩模形状控制法解决通道形状问题;采用激光抛光、近阈值能量、去应力退火等技术提高刻蚀通道的表面质量。在对PMMA基PCR芯片的键合问题研究中，采用了胶粘键合和热压键合两种方案，优选出热压键合的方案，制作了热压键合装置，获得了最佳键合参数，满足键合强度和通道成形要求。针对微流体连续流动的控制问题，研制了一台基于精密气泵结合气动控制的注射进样系统。利用制作的PCR 芯片和进样系统，成功地对170bp的DNA模板进行了扩增。
光学工程 准分子激光微加工 PCR微流控生物芯片
